虚拟仪器技术在水质工程学教学中的应用

张莉莉

【摘要】水质工程学是市政与环境工程等相关专业的核心课程。本文介绍将虚拟仪器技术应用在水质工程学课程教学中，将教学内容立体化、动态化，改变传统教学方式的弊端，优化教学过程，提高教学质量。

【关键词】水质工程 虚拟仪器技术 课程教学

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）05-0245-01

水质工程学是市政与环境工程等专业的核心课程，历来是各高校相关专业学习的重点内容。该课程涵盖物理、化学、生物、化工等多学科的理论，用工程学的方法研究给水和废水处理的工艺和工程技术，要求学生全面系统地了解水的性质、给水和废水的水质特征与水质指标等基本概念与理论；掌握城镇给水与废水处理技术的基本概念、基本理论、基本计算方法及其发展状况。课程知识面广，内容抽象，还包括大量的数据以及公式、设计图。传统的教学方式存在内容不够直观和全面等弊端，大大影响了课程的教学效果。

虚拟仪器技术是将计算机技术和仪器技术相结合，形成新概念仪器——虚拟仪器，近年来发展十分迅速。将虚拟仪器应用到水质工程学课程中，实现将水处理工艺构筑物从抽象概念到具体实物的转换，改变传统语言化的教学现状，优化教学效果。

一、虚拟化仪器技术的概念

虚拟仪器概念（Virtual Instrumentation）最先是20世纪80年代中期由美国国家仪器公司首先提出的，是基于以计算机硬件为核心的测试平台上，根据需求设计定义虚拟的操作前面板，由软件来实现一系列仪器测试功能的一种计算机仪器系统。形象地说法就是“软件即为仪器”。

“虚拟仪器”可代替传统的测量仪器，也可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体。从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。

二、虚拟技术的特点

虚拟仪器之所以被大多数行业所应用，是因为它相对于传统的技术存在着很多的优势：①功能先进，具有可开发性，用户可根据自身需要自行用软件定义；②仪器功能的改进和扩展只需设计更新对应软件，而不需购买新的仪器；③仪器使用过程中，检查和维护费用低；④仪器研制周期较传统仪器大为缩短。⑤虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其他周边设备互联。

虚拟技术在教学方面的作用性更强，可以利用它的开放性和对数据的处理能力，将复杂的教学知识加以仿真，增强真实感，让学生可以对复杂多样化的知识进行全面的了解，对各个部分的工作流程看得更加清楚，这样在给学生的学习增加了兴趣的同时，也增强了学生对知识的消化能力。虚拟技术的开放性和独特的仿真性在我国具有强大的作用。

三、虚拟仪器技术在水质工程学教学中的应用

（一）完善教学内容

目前教师主要采用制作电子幻灯片的形式进行水质工程学的授课，幻灯片的形式多以静态内容为主，而水质工程学课程中涉及很多水处理技术相关的处理构筑物，需要讲解各种构筑物的原理、运行过程及内部构造等知识。幻灯片中单一的图片和简单的视频信息对学生来说并不直观和全面。虽然课程安排了学生现场参观实习，但由于实习课时有限以及学生参观规模较大，可参观的水处理厂的数量有限。再有运行中的构筑物无法看清它的内部结构及具体的运行过程。

采用虚拟仪器技术可以构建虚拟的处理构筑物，设计虚拟的水处理工艺流程，可提供一种仿真的水处理厂运行的“情境”。学生和老师可以通过计算机外部输入进行虚拟仿真实验，实时操作，观测构筑物及整个处理流程的运行过程。这种直观的展示可以学生更容易掌握相关的工作原理，对整个水质的工艺流程有足够的认识，同时可以增加学生的兴趣。

（二）提高学生实践能力

水质工程学课程主要注重培养学生在水处理技术领域的工程实践能力，所以教学中涉及课程实习和课程设计等教学环节就变得尤为重要。但是由于存在以下几个原因效果不甚理想，同时也给教师的教学工作和学生的学习带来了很大的压力：①水厂实习过程中，出于安全考虑，学生不能近距离观看。②学生无法跟上现场讲解员的节奏，达不到实习效果。③设计过程中，学生缺少立体想象能力，不能够对尚未接触过的水工构筑物进行合理地构想，进而绘图。④很多高校教师由于没有工程实践经验，指导设计的内容与实际工程严重脱钩。

利用虚拟仪器技术所具有的仿真作用将水处理过程充分的展现出来，对每个部分的动态运行过程更加直观的演示，并让学生们进行详细的分析，将水质的工作流程以及处理的方法进行总结。通过这种形式的学习可以使学生对各个参数之间的关系、各个结构的运行有更加清晰的印象，大大的增强了学生的设计能力和工程应用能力。

（三）增强学生学习兴趣

在利用虚拟技术将污水处理的过程进行仿真，学生可以通过软件观察出处理的过程和水流的情况；可以在操作“虚拟构筑物”的过程中，发现问题，解决问题。这会大大提高学生的学习兴趣，提升学习效率和积极性。

总之，虚拟仪器技术必将成为高职院校、科研院所进行教学研究的重要方法和手段，并且具有极大的发展潜力。对提高课程的教学水平、改善工科专业课程实践环节的不足、优化教学内容、培养具有创新意识和创新能力的工程实践型人才都将发挥巨大的作用。

参考文献：

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